超级战士到医用机械外骨骼

起源：超级战士的构想

机械外骨骼,顾名思义,就是穿戴在衣服之外的机械,外形类似骨骼,能够起到骨骼的支撑和行动作用.其发明灵感,起源于美国著名漫画《钢铁侠》,该漫画的主人公是寻常人类,但是一旦穿上一套专门的钢铁铠甲后,他就成为超级战士,可以飞天遁地,而且力大无穷.这部漫画目前已经被改编为同名电影,在全世界范围内热映.

从上世纪90年始,科学家们对这一概念进行了深入研究.他们认为,要想把这套“盔甲”变成现实,让普通人成为力能举鼎的大力士,需要几个条件：首先是这些盔甲部件是附着在人的四肢和躯干上的,它不能过于笨重；其次是这些盔甲本身至少几十公斤重,人穿戴上之后,必须让盔甲有自己的动力系统来驱动,否则靠人本身的力量是无法行动的；再次,这套盔甲的动力系统越小越好,否则会背着累赘,但是同时能量越大越好,不能跑一跑跳一跳就没电了；最后,这套盔甲必须同人类的大脑和运动神经联系上,人想干什么,外骨骼和人体就能一起动作,越灵活才越有价值.

机械外骨骼的最大优势就是有效规避了电脑智能化的风险.比肩人类的智能机器人,目前只出现在科幻电影里,毕竟人工智能领域的进展缓慢,能真正模拟人脑的电脑目前还没有发明出来,没有活蹦乱跳的电脑就没有活蹦乱跳的机器人.而机械外骨骼提供了一个现实的解决办法——既然还造不出人脑一样的电脑,那就直接用人作为机器人的核心“部件”,用人脑去指挥机器,用人体去带动机器,同时用这些高强度的机械来大幅增加人的体力、耐力和活动能力.一句话,外骨骼能把人类包装成一个强大的机器人,它具有人的智力、灵活度和机器人的力量、速度.

更快、更强、更有力气

机械外骨骼的研究目前应用于各个领域.

在军事领域,机械外骨骼可以打造出超级战士,目前一个装备机械外骨骼的成年男子可以轻而易举托起100公斤以上的物品,以前需要开叉车去搬运的东西,现在一个人过去托起来就可以走了.而给胳膊装备外骨骼后,一拳可以击穿7.62厘米厚的木板.

在民用领域,机械外骨骼主要考虑到的是肢体有残疾或是需要康复的病人,同时研究者们也尝试把这一技术应用于老人的助力.目前日本公司推出的HAL系列医用外骨骼十分受欢迎.

肢体有残疾的人穿戴上机械外骨骼后,可以直接指挥机械腿自然行走,而不需要拐杖等辅助工具.那些肢体需要康复的病人,在进行康复行走锻炼时,也可以穿戴机械外骨骼,他们可以不发出行动指令,而由编好运动程序的外骨骼牵引着他们的肢体进行康复活动,省时省力还科学.对那些关节损伤的病人来说,利用机械外骨骼既可以锻炼肌肉、恢复肌肉功能,同时还可以利用机械外骨骼对人体的强大支撑功能,减轻关节受到的人体自身的重量压力,走起来更加舒服自如.

目前,以上提到的这些民用机械外骨骼技术正在从实验室走向实际生活.2010年,新西兰一家公司推出了“仿生机械腿”,专门帮助下肢瘫痪患者,这套外骨骼全重38公斤,但是患者穿戴后没有负重感,并能在外骨骼的支持下自如站立、行走,上下楼梯.小泽征内田爬山穿的那套外骨骼是2011年推出的,性能更加先进,它采用生物电技术,与身体的关节部位连接,只要穿戴者的身体关节表现出某种动作趋势,比如想跑、想跳,大脑释放出的神经信号会通过神经元直接传导给肌肉,再通过肌肉调动机械外骨骼系统迅速行动,也就是穿戴者想跑,机器就会带着他的腿跑起来,穿戴者自己不用费力气.

而作为机械外骨骼研究最先进的美国,目前他们的技术水平正在向更快速、更灵活的方向迈进,2012年美国机械外骨骼的科学家们已经可以让一群小伙子穿着机械外骨骼,打一场对抗激烈、奔跑猛烈的篮球赛了.

三个瓶颈待突破

机械外骨骼前途无限,但是眼下它也面临着几个难以逾越的门槛.

首先是材质和造价问题,由于机械外骨骼要求轻便、坚固,目前使用多为钛合金等昂贵材料制作,或者是加工维护费时费力的复合材料,这些材料的限制导致外骨骼还不能广泛推向市场.

其次是生物技术和计算机技术的瓶颈.机械外骨骼的核心技术就是把机械和人脑有机连接起来,让机械的四肢真正变成人脑可以随意控制的四肢.但是目前生物技术和计算机技术都还不能够完全实现人脑那样的控制能力,它们还是太大太笨拙了,而且误差也不小.举例来说,让穿着机械外骨骼的人类扛木头抱铁轨,一点问题都没有.但是要让他们绣花绘画,现在还达不到人类的一般水准.

最后就是能源问题.目前机械外骨骼的驱动能源主要是各种类型的电池.这类电池储藏电能还比较有限,最多只能支持器械外骨骼持续工作两小时左右.这对于要用机械外骨骼生活工作的人来说太短了,总不能行动两小时后之后马上就要充电三小时吧?

尽管面临着各种问题,但是科学家们仍然持乐观估计,因为机械外骨骼在技术上实现起来确实比智能机器人要简单一些.也许在不久的将来,随着人类科技的不断进步,机械外骨骼武装起来的人类将会昂首阔步地奔跑在地球上.

（责编：石磐）